港珠澳大桥C60桥面板混凝土配合比设计与性能.pdf

2 0 1 3年 第 4 期 (总 第 2 8 2 期 ) Nu mb e r 4 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 2 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 预拌混凝土 RE ADY M D D C0NCRETE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 3 0 4 0 3 0 港珠澳大桥 C 6 0桥面板混凝土配合比设计与性能 黄修林 ， 。丁庆军 z ，宋晓波 s 。孙华 ( 1 湖北大学 材料学院，湖北 武汉 4 3 0 0 6 2 ；2 武汉理工大学 材料学院，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ； 3 辽宁省水利水电勘测设计研究院 ，辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 6 ；4 上海众材工程检测有 限公司 ，上海 2 0 1 2 0 3 ) 摘要： 钢混组合梁在支座处桥面板有较大的负弯矩， 桥面板混凝土因承受较大的拉应力， 易出现开裂问题。 针对海洋环境 钢混组合梁预制桥面板负弯矩区混凝土在疲劳荷载长期作用下容易产生裂缝等影响桥面板的使用寿命问题， 采用高强有机聚 合物纤维对混凝土进行增强设计 ， 制备出了工作性能 、 力学性能和耐久性能优 良的混凝土， 并进行了港珠澳大桥桥面板模型的 浇筑试验。 关键词 ： 港珠澳大桥 ；桥面板；C 6 0 混凝土；配合 比 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 6 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 1 0 8 0 4 C6 O c on c r e t e mi x i n g pr o p o r t i o n de s i g n o f Ho n g Ko n g - Z h uh a i - Ma c a u b r i d g e d e c k H U A NGXi u l i n ， D I N GQ in g - j u n 2 , S O NGX i a o b o 3 , S U NHu a ( 1 F a c u l t yo f Ma t e r i als S c i e n c ea n dE n g i n e e ri n g ， Hu b e i u n i v e r s i t y ， Wu h an 4 3 0 0 6 2 ， C h i n a ； 2 F a c u l tyo f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n dE n g i n e e ri n g ， Wu h an Un i v e r s i ty o f Te c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ， Ch i n a ； 3 L i a o n i n g P r o v i n c i a l Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o p o we r S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i t u t e ， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 6 ， C h i n a ； 4 S h ang h a i A l l t h e Ma t e ri a l E n g i n e e ri n g D e t e c ti o n C o ， L t d ， S h a n g h a i 2 0 1 2 0 3 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： St e e l c o nc r e t e c o mp o s he be a ms e x i s t l a r g e n e g a t i ve mo me n t i n the s u p p o r t s o f the b rid g e pa ne l ， an d br i a g e d e c k c o n c r e te wa s t o p r o n e t o c r a c k un d e r a g r e a t e r t e n s i l e s t r e s s T h e u s i n g l i f e ti me p r o b l e m o f the p r e f a b ri c a t e d b ri d g e d e c k o f the ma r i n e e n v i r o n me n t s t e e l c o nc r e t e c o mp o s i t e b e a m c r a c k s e a s i l y i n the l o n g t e r m e f f e c t o f f a t i g u e l o a di n g o n the n e ga t i v e mo me n t are a o f c o n c r e t e h a s b e e n t a k e n c o n s i d e r a t i o n H i gh- s t r e n g t h o r g ani c p o l y m e r fi b e r wa s c h o s e n to ma k e a d e s i g n to e n h a n c e c o n c r e t e C o n c r e t e w i th g o o d wo r k p e r - f o rm anc e ， e x c e l l e n t me c h a n i c a l p r o p e r t i e s andd u r a b i l i tyh a sb e e np r e p a r e d ， andthe p o u r i n go f theHo n gKo n g Z h u h a i - Ma c u ob r i d g ep an- e l mo ( 1 e l l 1 a s b e e n t e s t Ke yw o r d s ： Ho n gKo n g - Z h u h a i M a c a ub r i d g e ； b r i d g e d e c k ； C6 0 c o n c r e t e ； mi x i n gp r o p o r t i o n O 引 言 港珠澳大桥属于钢混组合梁结构 ， 该结构凭借具有使 钢材与混凝土合二大于一的优势， 逐渐取代传统的桥梁结 构， 成为世界首选的桥梁的桥型 1 _ 2 。 钢混组合梁桥面板， 一 般采用预制的 C 6 0 高性 能混凝 土， 要求其具有很 高的早期 强度便于桥面板的张拉与施工。 另外 ， 随着钢一 混凝土组合 梁大量应用于各类大型桥梁 ， 以及结构形式和种类 的不断 变化 ， 箱梁结构 的稳定性要求也不断提高 。 海洋环境下桥 梁混凝土较一般混凝土服役环境恶劣 ， 既受到交通荷载 的 反复作用， 同时还受到温度变化、 干湿交替、 盐雾中氯离子 等作用， 需要桥面板混凝土具有优 良的耐久性。 本试验依托 “ 港珠澳大桥主体工程桥梁施工图设计阶段系列专题” 项 目， 进行 C 6 0海洋混凝土配合 比优化设计及其性能 ， 并进 行了模型浇筑试验 。 1 试验原材料 ( 1 ) 水泥： 选用广东省东莞华润P 4 2 5 级水泥， 其性 能见表 1 。 ( 2 ) 粉煤灰 ： 广东沙角 I I 级粉煤灰 ， 需水量 比 9 4 。 矿 粉 ： 柳州台泥 $ 9 5 级矿粉 ， 比表面积 4 5 0 m2 k g 。 ( 3 ) 细骨料 ： 巴河 中砂 ， 含泥量 2 ， 细度模数为 2 6 ， 粗骨料 ： 阳新 5 2 0 m l T l 连续级配碎石 ， 其针片状 8 ， 压 碎值 3 5 0 MP a ， 断裂伸长率3 0 的不同种有机聚合物纤维。 ( 5 ) 外加剂 ： 江苏博特 聚羧酸系高效减水剂 ， 固含量为 3 0 ， 减水率 2 5 。 ( 6 ) 水 ： 普通 自来水。 2 混凝 土配合 比设计 2 1 配合比设计原理 由于海洋环境钢混组合梁 C 6 0 桥面板混凝土对混凝 土的强度和性能要求很高 ， 选用密实骨架堆积方法口 进行 C 6 0 桥面板混凝土配合 比优化设计 。 在此基础上 ， 加入有机 聚合物纤维增强混凝土， 由于有机聚合物纤维加入降低混 凝土的工作性能与包裹性能， 因此将 n值设为 1 - 2 ， 增强混 凝土的包裹性能。 依据强度和耐久性要求设定水胶比， C 6 0 高强混凝土的水胶比可在 0 2 8 0 3 0 之间选取； 最后再求出 拌和水量 ， 其值为 1 5 0 k g m3 。 通过上述计算过程 ， 可得 出配制高强混凝土的水泥、 粉 煤灰、 水、 砂及石的用量， 从而确定初步基准配合比水泥： 粉 煤灰：矿粉： 砂：石子：水 = 3 9 0 ： 1 1 0 ： 7 3 9 ： 1 0 2 0 ： 1 4 5 ， 砂率为 4 2 。 表 2 密实骨架理论设计的 G 6 0 桥面板混凝土配合 比 2 2 胶凝材料体 系优化 根据密实骨架堆积得出的基本配合比能够很好的满 足设计强度与经济性能， 但是混凝土的泵送施工性能不是 最佳 ， 而且有机聚合物纤维的加入 ， 会更加影响混凝土的工 作性能； 由于港珠澳大桥组合连续梁预制桥面板是在氯离 子侵蚀严重的海洋环境下服役， 因此利用 $ 9 5 矿粉替代部 分 级 粉煤灰进行配合 比优化 ， 提高混凝土的密实度 ， 进 而提高混凝土抗氯离子渗透能力， 试验配合比见表 3 。 表 3 混凝土配合比 由表 3 、 4中的数据对比分析可以得出， 第 1 、 2组配合 比的混凝土 7 d抗压 强度低于 6 0 MP a ， 不满足设计规定 中 7 d 预应力张拉的要求 ， 调整胶凝材料组成后第 3 、 4 组混 凝土 的抗压 、 抗折强度均满足设计要求 ， 且第 3 组配合 比 中水泥用量较低 ， 对混凝土 的耐久性和经济性更 为有利 ， 因此， 选择第 3 组为最优配合比。 2 - 3 有机聚合物纤维种类与掺量确定 影响有机聚合物纤维增强水泥复合材料因素很多 ， 包括 掺量、 抗拉强度、 弹性模量、 长径比、 表面形状等参数， 本研究 通过分别讨论有机聚合物纤维因素对桥面板混凝土的抗折 强度、 劈裂抗拉强度、 氯离子扩散系数的影响， 来确定有机聚 合物纤维的种类和掺量 ， 综合分析 ， 采用正交试验表 ( 3 ) ( 表 6 ) 作为本次试验的方案表 ， 正交表中各个符号的意义 ： L 一 正交试验表符号； 9 试验次数； 3 水平数； 4 因素个数。 表 5 因素水平表 列号 试验号纤维掺量 ( k g m )抗拉强度 MP a 长径比 表面形状 ( A) ( B ) ( C) ( D) 测得 z 1 z 9 桥面板混凝土 的 2 8 d 抗折强度 、 2 8 d 劈裂 抗拉强度及 5 6 d 氯离子扩散系数试验结果如表 7 。 表 7 2 8 d抗折强度、 2 8 d劈裂抗拉强度及 5 6 d氯离子扩散系数 试验号 2 M 折强 Pa 谚 裂抗 M Pa拉 强 6 d 譬0 m扩 2 s 系 数 (1 ) 采用极差 分析对 正交试验对桥面板混凝 土的 2 8 d 抗 折强度 、 2 8 d 劈裂抗拉强度及 5 6 d 氯离子扩散系数进行分 析 。 极差分析是对正交试验的一种直观的分析方法 ， 极差越 大， 说明该因素越主要， 反之越次要。 ( 1 ) 2 8 d抗折强度极差分析。 表 8 是正交试验桥面板 2 8 d 抗折强度极差分析结果， 图 1 是桥面板 2 8 d 抗折强度 极差趋势 图。 由表 8 混凝土强度极差分析表及图 1 极差趋势图可 以看到： 有机聚合物纤维四种因素对桥面板混凝土2 8 d抗 1 0 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 8 2 8 d 抗折强度极差分析 序 号纤 维 掺 蚝 抗 拉 长 萼 比 表 状 赠 辖 弩 挞 想 越 鼎 长径 比 表 面形状 图 1 正交试验 2 8 d 抗折强度极差趋势图 折强度的影响顺序依次为 ： 掺量( A) 抗 拉强度 ( B) 长径 比( c) 表面形状( D) 。 随着纤维掺量的增加， 2 8 d 抗折强 度直接增加， 但是掺量为 9 k g m3 时， 抗折强度稍微增加； 纤维 的抗拉强度对桥面板的混凝 土影响较为 明显 ， 抗拉强 度越大 ， 混凝土 2 8 d 抗折强度越大 ； 随着纤维长径 比增大 ， 混凝土 2 8 d 抗折强度先增大再逐渐稳定； 纤维的表面形状 对混凝土的抗折强度影响很小。 ( 2 ) 2 8 d 劈裂抗拉强度极差分析。 表 9 是正交试验桥 面板 2 8 d劈裂抗拉强度极差分析结果， 图2是桥面板 2 8 d 劈裂抗拉强度极差趋势 图。 表 9 2 8 d劈裂抗拉强度分析 。 纤维掺量 ( k g m 3 )抗拉强度 M P a长径比 表面形状 弓 A B C D l 1 O 姜 霞 $ 弩 目 山 、 越 醺 括 o。 长 径 比 表 面 彤 状 图 2 正交试验 2 8 d劈裂抗拉强度极差趋势图 由表 9 及图2可以看到： 有机聚合物纤维四种因素对 桥面板混凝土 2 8 d 劈裂抗拉的影 响顺序依次为 ： 掺量( A) 抗拉强度( B) 长径比( C) 表面形状( D) 。 有机聚合物纤维 四种因素对混凝土 2 8 d 抗折强度与 2 8 d劈裂抗拉强度 的 影响规律基本一致 ， 纤维表面形状均影 响最小。 ( 3 ) 5 6 d氯离子扩散系数极差分析。 表 1 0 是正交试验 桥面板 5 6 d 氯离子扩散系数极差分析结果， 图 3 是桥面板 5 6 d 氯离子扩散系数极差趋势图。 表 1 0 5 6 d氯离子扩散系数极差分析 纤维掺量 ( k g m 3 )抗拉强度 MP a长径比 表面形状 J 予亏 A B C D 由表 1 0 及图 3 可 以看到有机聚合物纤维四种因素对 桥面板混凝土2 8 d 劈裂抗拉的影响顺序依次为： 掺量( A) 表面形状( D) 长径 比( C ) 抗拉强度 ( B) 。 随着纤维掺量 的增加 ， 混凝土 5 6 d氯离子扩散系数变大， 说明纤维掺量 越大对混凝土的匀质性影响越大 ； 纤维表面越粗糙， 混凝 土 5 6 d 氯离子扩散系数变小， 是因为表面越粗糙 ， 与基体 的黏结性能越好 ， 有害离子不宜侵蚀 ； 长径比过大， 混凝土 5 6 d 氯离子扩散系数会有所增大， 可能原因是纤维长径比 过大 ， 导致纤维分布不均匀造成的； 纤维的抗拉强度对 5 6 d 氯离子扩散系数几乎没有影 响。 综上分析有机聚合物纤维影响各参数对混凝土 2 8 d 抗折强度、 2 8 d 劈裂抗拉强度及 5 6 d氯离子扩散系数的影 响， 确定表面粗糙、 抗拉强度为 4 5 0 MP a 、 长径比为 3 0的 O 8 6 4 2 O 8 6 4 3 0 8 6 4 2 O 8 6 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 长径比 表面形状 图 3 5 6 d氯离子扩散系数极差趋势图 有机聚合纤维， 最佳掺量为 4 k g m。 进行高抗裂抗拉 C 6 0 桥 面混凝土的制备。 3 C6 0 桥 面板 混凝 土的制备 与性能 本研究依托“ 港珠澳大桥主体工程桥梁施工图设计阶 段系列专题” 项 目， 设计 了桥面板模 型， 拟定组 合箱梁模型 高度和宽度方向比例尺为 1 ： 5 ， 纵向比例尺为 1 ： 1 0 。 模型设 计材料采用与实桥相同的材料制造 ， 钢箱梁采用 Q 3 4 5 q D 级钢板制造 ， 剪力钉材质为 ML 1 5 ， 预应力筋采用 1 8 6 0钢 绞线 ， 混凝土桥面板采用表 1 1 所示 的 C 6 0混凝土 ， 混凝土 的性能见表 1 2 。 ( a ) ( b ) 图 4 港珠澳大桥桥面板模型及混凝土现场浇筑图 表 1 1 C 6 0桥面板混凝土模型浇筑施工配合比 水泥粉煤灰 碎石 砂 矿粉纤维 水 减水剂 3 9 0 40 1 0 2 0 7 3 9 7 0 4 1 4 5 1 - 3 表 1 2 C 6 0桥面板混凝土性能 4结 论 采用港珠澳大桥使用的原材料 ： 高强有机聚合物纤维 、 江苏博特聚羧酸减水剂， 配制出了高抗裂抗拉 C 6 0桥面板 混凝土 ， 其 配合 比为 ： 水泥 3 9 0 k g m 3粉煤灰 4 0 k g m3 矿 粉 7 0 k g m3 , 砂 7 3 9 k g m3 、 石 1 0 2 0 k g m3 、 高强有机聚合物 纤维 4 k g m3 , 减水剂 6 5 k g m 3水 1 3 8 k g m 3 ； 其力 学性 能 与耐久性能 如下 ： 2 8 d 抗压强度 7 6 9 M P a 、 2 8 d 抗 折强度 7 9 MP a 、 2 8 d弹性模量 4 6 6 x 1 0 MP a 、 5 6 d 氯离 子扩散 系 数 1 3 8 x 1 0 m 2 s 、 2 8 d 碳化平均深度为 0 4 m m。 参考文献： 1 夏文敏， 刘雪梅 钢一 混组合梁的研究现状与展望【 J 四川建筑， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 2 ) ： 1 2 2 1 2 4 2 吴兴邦 冈一 混凝土组合梁的应用与研究 J 建筑与工程 ， 2 0 0 7 ( 1 1 ) ： 3 4 1 3 丁庆军， 黄修林， 王红喜， 等 采用密实骨架堆积法设计高掺量 I I 级粉煤灰高性能混凝土f J J _ 混凝土 ， 2 0 0 7 ( 8 ) ： 7 - 1 2 f 4 袁海厌， 陈景涛， 朱继东层布式钢纤维一 聚丙烯腈纤维混凝土 力学性能试验研究f J 1 武汉理工大学学报， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 3 1 3 4 作者简介 ： 联系地址： 联系电话 ： 黄修林( 1 9 8 3 一 ) ， 男， 博士， 讲师 ， 研究方向： 先进水泥 基复合材料。 武汉市武昌区友谊大道 3 6 8号( 4 3 0 0 6 2 ) 1 5 9 7 2 98 6 6 41 豳藿 翟 蕃 I 墨 发 展绿 色建 材支 撑国家 绿色 建筑 行动 今年 1 月 1日国务院办公厅转发了发展改革委、 住房城乡建设部绿色建筑行动方案( 以下简称 方案 ) ， 绿色建筑行 动目的是， 为深入贯彻落实科学发展观， 切实转变城乡建设模式和建筑业发展方式 ， 提高资源利用效率， 实现节能减排约 束性 目标， 积极应对全球气候变化， 建设资源节约型、 环境友好型社会， 提高生态文明水平， 改善人民生活质量。 绿色建筑行动需要绿色建材支撑。 在 方案 中将大力发展绿色建材列为行动的重点任务之一。 绿色建材要具有以下 特性 ： 所在地属性。 符合因地制宜、 就地取材， 并结合当地气候特点和资源禀赋； 使用属性。 安全耐久， 满足绿色建筑在 全寿命期内健康使用； 生产属陛。 节能环保， 绿色建材在生产过程中， 最大限度地节约资源、 保护环境和减少污染。即工 信部 2 0 1 3 年水泥行业工作要求， 生产要素和熟料产品创造的工业增加值最大化、 伴生的污染物最少化 ； 应用属性。 施工 便利， 在施工中减少在资源的消耗、 材料浪费、 减少废弃物的产生， 提高施工效率。 方案 还指明了绿色建材加快发展方向： 加快发展防火隔热性能好的建筑保温体系和材料， 积极发展烧结空心制 品、 加气混凝土制品、 多功能复合一体化墙体材料、 一体化屋面、 低辐射镀膜玻璃、 断桥隔热门窗、 遮阳系统等建材。 引导 高性能混凝土、 高强钢的发展利用， 到 2 0 1 5年末 ， 标准抗压强度 6 0 兆帕以上混凝土用量达到总用量的 1 0 ， 屈服强度 4 0 0 兆帕以上热轧带肋钢筋用量达到总用量的4 5 。 大力发展预拌混凝土、 预拌砂浆。深入推进墙体材料革新， 城市 城区限制使用粘土制品， 县城禁止使用实心粘土砖。 1 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m